LED 하나를 켜기 위해서 아두이노 디지털 핀 하나를 사용합니다. 하지만 LED가 8개 라면? 디지털 핀 8개 사용하면 됩니다. 하지만 16개 혹은 그 이상이 된다면? 이처럼 사용해야 할 디지털 출력의 수가 많을 때 “시프트 레지스터(shift register)”를 사용하게 됩니다.

시프트 레지스터는 다른 이름으로 Serial to Parallel Converter 로 불립니다. 시리얼(직렬)로 입력되는 데이터를 패러럴(병렬)로 바꿔준다는 얘기입니다. 이걸 보기 편하게 이미지로 나타내면 아래와 같습니다.

시프트 레지스터에게 데이터가 전달된다고 알려주는 클럭(clock) 신호와 함께 8개의 핀 출력이 어떻게 되는지 알려주는 시리얼 데이터를 일렬로 보내줍니다. 첫 번째 핀만 on 시키고 싶다면 [1000 0000] 신호를 보내면 되겠죠. 그러면 시프트 레지스터는 8개의 신호를 받아 8개의 핀을 신호에 맞게 출력해줍니다. 이런 방식으로 사용하면 그림처럼 2 개의 핀으로 8개 혹은 그 이상의 핀을 제어할 수 있습니다. (실제로는 제어선 3개를 사용합니다.)

LED 출력 뿐 아니라 수십개의 버튼 입력을 받을 때도 시프트 레지스터를 사용할 수 있습니다. 버튼 입력을 받을 때는 동작이 반대로 되겠죠. 그래서 시프트 레지스터는 두 개로 나뉩니다. SIPO(Serial In Parallel Out) 방식과 PISO(Parallel In Serial Out) 방식입니다.

전자는 LED 8 개 혹은 그 이상의 출력을 한 번에 제어할 수 있고 74HC595 칩을 사용합니다.

후자는 버튼 8 개 이상의 입력을 받을 수 있고 74HC165 칩을 사용하면 됩니다.

먼저 74HC595 칩을 이용해서 LED 8개를 제어하는 예제부터 테스트 하겠습니다.

SIPO – 74HC595 핀 구조 및 동작

먼저 74HC595N 칩이 가진 16개의 핀이 어떤 핀인지부터 알아야 합니다.

• 1~7, 15 (Q0~Q7)
  출력을 제어하고 싶은 8개의 핀입니다. LED 를 제어하고 싶다면 Q0~Q7까지 순서대로 연결해야 합니다.
• 14 (DS, Data pin)
  클럭 신호에 맞춰 데이터가 전송되는 핀입니다.
• 13 (OE, Output Enable)
  출력 핀 전체를 한번에 on/off 시키고 싶을 때 사용합니다. 이 핀을 PWM 핀에 연결해주고 PWM 신호를 주면 LED 밝기 조절이 가능합니다. 이 핀은 active low 상태로 사용하기 때문에 굳이 사용치 않을 때는 아두이노 GND 핀에 연결해주면 됩니다.
• 12 (STcp, Storage(Latch) Register Clock pin)
  시프트 레지스터가 수신한 데이터를 래치 레지스터(Latch register, 핀 제어값 저장공간)에 저장하도록 해주는 신호선
• 11 (SHcp, Shift Register Clock pin)
  아두이노와 시프트 레지스터가 박자에 맞춰 데이터를 전송할 수 있도록 클럭 신호를 전송하는 핀입니다.
• 10 (MR, Master Re-clear)
  리셋핀, Active low 이므로 반대로 5V에 연결합니다.

11(SHcp) 핀에 의해 클럭 신호가 생성되면 이 신호에 맞춰 14(DS) 핀으로 8개의 데이터를 전송합니다. 즉, 클럭 신호가 HIGH 상태일 때 DS 핀의 신호도 HIGH 라면 1 이 전송된 것이고, 클럭 신호가 HIGH 일 때 DS 핀의 신호가 LOW 라면 0 이 전송된 것입니다.

이렇게 8개의 신호가 전달되면 시프트 레지스터는 수신한 값을 Storage(Latch) register 라는 저장공간에 넣습니다. 이후에는 Storage(Latch) register 에 저장된 값에 따라 8개의 Q0~Q7 출력이 변화하게 됩니다.

이때, Storage(Latch) register 값을 외부에서 변경한다는 신호도 보내줘야만 레지스터 값이 바뀝니다. 그래서 데이터를 전달하기 전에 12(STcp) – latch 핀을 LOW 상태로 바꿔주고 데이터 전송이 끝났을 때 HIGH 상태로 다시 돌려둡니다.

연결 방법

조금 복잡하지만 아래 순서로 연결합니다. 먼저 아두이노 5V, GND 핀을 브레드보드에 연결한 다음 74HC595 칩에 연결합니다.

• 16 (VCC) –> 5V
• 10 (MR) –> 5V
• 8 (GND) –> GND
• 13 (OE) –> GND

이제 3개의 데이터, 클럭, latch 클럭 핀을 아두이노의 디지털 핀 3개에 연결합니다. (변경 가능)

• 11 (SHcp, clock) –> D12
• 12 (STcp, latch clock) –> D8
• 14 (DS, data) –> D11

여기에 8개의 저항을 이용해서 Q0~ Q7 까지 LED를 연결해주면 됩니다.

(위 그림에서 12(STcp) – GND 사이의 1uF 커패시터는 생략해도 될듯?)

스케치

간단한 예제부터 테스트…